[論文レビュー] Connecting Cosmic Inflation to Particle Physics with LiteBIRD, CMB-S4, EUCLID and SKA

Marco Drewes, Ming Lei|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、将来のCMB実験（LiteBIRD、CMB-S4、EUCLID、SKA）が再加熱ダイナミクスを通じて素粒子物理学場へのインフレートン結合をどのように制約できるかを定量的に評価している。これらのミッションにより、再加熱温度の広い範囲を除外可能であり、RGIモデルではインフレートン結合が直接測定され $X = -5.5 \pm 1.7$ となり、$\alpha$-アトラクターモデルでは $T_{\text{re}} > 10^{14}$ GeV の下限が得られる。これにより、インフレーションと素粒子物理学の間の重要な接続が実現される。

ABSTRACT

We show that next generation Cosmic Microwave Background experiments will be capable of the first ever measurement of the inflaton coupling to other particles, opening a new window to probe the connection between cosmic inflation and particle physics. This sensitivity is based on the impact that the reheating phase after cosmic inflation has on the redshifting of cosmic perturbations. For our analysis we introduce a simple analytic method to estimate the sensitivity of future CMB observations to the reheating temperature and the inflaton coupling. Applying our method to LiteBIRD and CMB-S4 we find that, within a given model of inflation, these missions have the potential to impose both an upper and a lower bound on the inflaton coupling. Further improvement can be achieved if CMB data is combined with optical and 21cm surveys. Our results demonstrate the potential of future observations to constrain microphysical parameters that can provide an important clue to understand how a given model of inflation may be embedded in a more fundamental theory of nature.

研究の動機と目的

• 宇宙インフレーションと素粒子物理学を結ぶ微視的パラメータを、将来のCMBおよび大規模構造サーベイがどのように制約できるかを定量すること。
• LiteBIRD、CMB-S4、EUCLID、SKAが再加熱温度 $T_{\text{re}}$ およびインフレートン結合 $X$ に対してどの程度感受性を示すかを評価すること。
• 特定のインフレーションモデル、特にRGIおよび $\alpha$-アトラクター $T$ モデルにおける将来のデータがインフレートン結合 $X$ を測定または束縛できるかどうかを特定すること。
• CMBと大規模構造データを組み合わせることで、$\alpha$ および $X$ のパラメータのデゲネラシーをどのように解消できるかを評価すること。
• CMB観測量からインフレーションモデルにおける微視的結合に至る直接的な観測的道筋を確立すること。

提案手法

• CMB観測量から導かれる再加熱状態方程式 $\bar{w}_{\text{re}}$ を、再加熱中の $T_{\text{re}}$ と $e$-フォールド数 $N_{\text{re}}$ の関数として用いる。
• 慢いロールパラメータ $\epsilon_k = r/16$ および $\eta_k = (n_s - 1 + 3r/8)/2$ を用いて、$N_{\text{k}}$ を $k$-モードのホライズン通過に結びつける。
• $n_s$、$r$、$A_s$ を用いて、$\varphi_k$ における有効ポテンシャルの微分を表す。$\partial_\varphi \mathcal{V}/\mathcal{V} \propto \sqrt{r}/M_{\text{pl}}$ および $\partial_\varphi^2 \mathcal{V}/\mathcal{V} \propto (n_s - 1 + 3r/8)/M_{\text{pl}}^2$ を用いる。
• 再加熱温度 $T_{\text{re}}$ を $N_{\text{re}}$ と $\bar{w}_{\text{re}}$ から計算し、$\bar{w}_{\text{re}}$ が再加熱メカニズムおよびインフレートン結合 $X$ に依存することを考慮する。
• Planck、WMAP、BICEP/Keckの制約をベイズ的手法で適用し、将来の感度をLiteBIRD、CMB-S4、EUCLID、SKAについて推定する。
• CMBデータと大規模構造サーベイ（EUCLID、SKA）を組み合わせることで、$\alpha$ と $X$ を同時に制約し、デゲネラシーを解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LiteBIRD や CMB-S4 といった将来的なCMB実験は、再加熱温度 $T_{\text{re}}$ の制約を著しく改善できるか？
• RQ2 CMBと大規模構造データを併用することで、インフレートン結合 $X$ をどの程度測定または束縛できるか？
• RQ3 $\alpha$-アトラクターモデルにおけるフィードバック効果が、$X$ に対するモデルに依存しない束縛を抽出する能力をどの程度制限するか？
• RQ4 EUCLIDおよびSKAデータを追加することで、$X$ の不確実性がどの程度低減され、$\alpha$ とのデゲネラシーがどの程度解消されるか？
• RQ5 再加熱段階は、素粒子物理学モデルにおけるインフレートンと他の場との微視的結合をプローブする有効な手段となり得るか？

主な発見

• LiteBIRD および CMB-S4 は、RGI モデルおよび $\alpha$-アトラクター $T$ モデルの両方において、再加熱温度 $T_{\text{re}}$ の数個のオーダーを除外可能である。
• RGI モデルではインフレートン結合が $X = -5.5 \pm 1.7$ として測定され、EUCLID データを組み込むと精度が向上し $X = -6.1 \pm 1.2$ となる。
• $\alpha$-アトラクターモデルでは、フィードバック効果により $X$ の直接測定は不可能だが、$T_{\text{re}} > 10^{14}$ GeV の下限が確立された。
• CMB-S4 に加えて EUCLID および SKA データを組み合わせることで、$X$ の誤差ボックスが小さくなり、$\alpha$ と $X$ 間のデゲネラシーが解消され、同時に制約が可能になる。
• 本研究は、将来のCMBおよび大規模構造サーベイが、インフレーションと素粒子物理学を結ぶ微視的パラメータをプローブ可能であり、素粒子物理学の根本的側面を検証する重要な手段を提供することを示した。
• 結果から、再加熱ダイナミクスがインフレートン結合の情報を保持しており、標準 $\Lambda$CDM フレームワークを超えるインフレーションモデルの制約に有効であることが明らかになった。